Programmi per lo studio dell`acustica di un ambiente (da Backstage

Programmi per lo studio dell’acustica di un ambiente
Andrea Cerniglia
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(Estratto da Backstage n.15, aprile 1999, Gruppo editoriale Jackson)
Spesso, al fine di studiare l’acustica di un ambiente in relazione alle possibili
soluzioni progettuali, sia architettoniche, sia elettroacustiche, vengono impiegati
appositi programmi finalizzati alla previsione del campo sonoro nell’ambiente
oggetto di studio. L’immagine di apertura è un esempio di questo tipo di simulazione,
e si riferisce alla distribuzione del suono all’interno della chiesa di Santa Lucia a
Foligno, dovuta ad una particolare sorgente sonora posizionata in prossimità
dell’altare. Come è noto, grazie ai programmi di previsione sonora, è possibile
studiare ed ottimizzare a calcolatore l’acustica di un teatro, di una sala da concerto o,
più in generale, di un ambiente destinato ad ospitare una o più sorgenti sonore. Di
seguito viene descritto il modo di operare di questi programmi, commentando alcune
videate relative ad uno di essi. La prima informazione necessaria ad un programma di
simulazione acustica, è relativa alla definizione della geometria dell’ambiente oggetto
di studio; più precisamente è necessario realizzare un disegno elettronico
comprensivo di tutti gli elementi che possono rivestire importanza dal punto di vista
della propagazione del suono. Il disegno dell’ambiente può essere eseguito per mezzo
del CAD di norma compreso all’interno del software, oppure, se previsto dal
programma, può venire importato anche da software esterni che consentano di
realizzare disegni vettoriali in un formato grafico compatibile. Ai vari elementi che
costituiscono il disegno così realizzato, è inoltre necessario associare le caratteristiche
acustiche dei materiali a cui questi si riferiscono. E’ infatti ovvio che il software di
previsione necessita di conoscere i materiali presenti nell’ambiente, al fine di
considerare opportunamente il comportamento delle onde sonore che incidono su una
parete, sul pavimento o su una qualsiasi superficie presente. I programmi previsionali
acustici sono dotati di un database, più o meno esteso, contenente le caratteristiche di
assorbimento e di isolamento dei diversi materiali. Tale archivio è inoltre di norma
aggiornabile dall’utente con eventuali nuovi materiali di cui si conoscono le
caratteristiche citate. La figura 1 mostra due videate con il coefficiente di
assorbimento alfa ed il potere fonoisolante R di alcuni materiali, relative ad uno di
questi softwares. Si ricorda che il coefficiente di assorbimento, compreso tra 0 ed 1, è
legato alla percentuale di energia sonora assorbita da un materiale; più precisamente a
coefficiente di assorbimento 0 corrisponde la totale riflessione del suono, a
coefficiente 1 il totale assorbimento dell’onda acustica. Il potere fonoisolante è
invece relativo alle caratteristiche di isolamento del materiale.
Figura 1: Database del programma Ramsete, contenente il cofficiente assorbimento alfa (in alto)
ed il potere fonoisolante R (in basso), relativo ad alcuni materiali.
Dall’immagine è possibile vedere come i dati, per ogni singolo materiale considerato,
sono riportati in funzione della frequenza; è infatti noto che le citate caratteristiche
acustiche non sono le stesse per tutte le frequenze dello spettro ma, anzi, possono
manifestare variazioni anche consistenti. In altre parole un determinato materiale può
tranquillamente avere caratteristiche tendenzialmente assorbenti ad una certa
frequenza, e riflettere invece la quasi totalità del suono ad una frequenza diversa. Lo
stesso comportamento di dipendenza delle caratteristiche acustiche in relazione alla
frequenza, vale anche per quanto riguarda il potere fonoisolante R. Eseguita la
definizione dell’ambiente, in termini di geometria e di materiali in esso contenuti, è
necessario comunicare al programma la posizione, l’orientamento e le caratteristiche
acustiche delle sorgenti sonore presenti. Tali caratteristiche sono relative alla potenza
sonora emessa, ed al diagramma di direzionalità. Anche in questo caso
l’informazione richiesta è espressa in funzione della frequenza in quanto, sia la
potenza sonora emessa, sia la caratteristica di direzionalità, possono manifestare
variazioni anche notevoli, al variare di detto parametro. Per quanto riguarda la
direzionalità, di norma alle frequenze più elevate è possibile riscontrare una
maggiore direttività rispetto a quanto verificabile alle frequenze più basse. Anche per
le sorgenti sonore è presente nel programma un database, più o meno nutrito,
contenente le informazioni relative a queste ultime. La figura 2 mostra le
caratteristiche di direzionalità di un particolare diffusore acustico compreso
all’interno del database del programma Ramsete. Nell’immagine sono rappresentati i
grafici per le frequenze di 125 Hz e di 1000 Hz. Il sopracitato programma prevede
anche un apposito modulo di elaborazione, finalizzato al calcolo della potenza sonora
e del diagramma di direzionalità, a partire da rilievi sperimentali eseguiti con adatta
strumentazione di misura.
Figura 2: Diagramma di direzionalità di una particolare sorgente. In alto da sinistra sono
rappresentati rispettivamente i diagrammi tridimensionale, azimuatale e zenitale per la frequenza
di 125 Hz. In basso, nello stesso ordine, i diagrammi relativi alla frequenza di 1000 Hz.
Una volta fornite al programma le informazioni relative alla geometria dell’ambiente,
ai materiali in esso presenti ed alle sorgenti sonore installate, è possibile procedere
con il calcolo di simulazione. Le metodiche di previsione implementate nei
programmi di simulazione sonora possono essere di diverso tipo; in letteratura è
possibile trovare la descrizione dei diversi algoritmi sviluppati (metodo alle sorgenti
immagine, ray tracing, beam tracing, ecc..). Senza entrare nel merito di ogni singolo
metodo, ricordiamo che queste categorie di programmi hanno comunque l’obiettivo
di prevedere in che modo l’energia acustica emessa dalla sorgente sonora, si
distribuisce nell’ambiente studiato, subendo nel suo percorso gli effetti legati alla
geometria dell’ambiente stesso ed alle caratteristiche delle superfici incontrate. La
quantità di informazioni ricavabile dai programmi di previsione sonora può essere, a
seconda del programma utilizzato, più o meno articolata. La figura 3 mostra la
risposta all’impulso calcolata da uno di questi programmi, relativa a due punti
dell’ambiente. Come è noto, la risposta all’impulso è una funzione legata alla
correlazione acustica esistente tra due posizioni di un ambiente; per semplicità si può
immaginare quest’ultima come il segnale temporale ricevuto nel punto di ascolto,
causato da un impulso applicato nel punto di emissione.
Figura 3: Risposta all’impulso simulata tra due punti di un ambiente. L’ascissa rappresenta il
tempo, l’ordinata i decibel.
Un’altra informazione è relativa al tempo di riverberazione: tale dato è di notevole
importanza ai fini della validazione del modello realizzato a calcolatore; infatti, il
confronto del tempo di riverberazione con la misura sperimentale del medesimo
parametro, consente di valutare l’attendibilità del modello realizzato; più
precisamente è necessario ricordare come eventuali significativi scostamenti tra i dati
ricavati dalla simulazione e i dati ricavati sperimentalmente, devono portare a
riconsiderare quanto fornito in ingresso al programma, al fine di individuare e quindi
correggere le informazioni errate che hanno condotto ai risultati non conformi. Altre
informazioni interessanti sono poi lo Speech Transmission Index (un parametro
legato alla bontà della trasmissione del parlato), gli indici di chiarezza, la
distribuzione dell’energia diretta e dell’energia riverberata (oltre ovviamente alla
distribuzione complessiva, somma delle due). La figura 4 mostra la distribuzione del
livello di pressione sonora globale ponderato ‘A’, all’interno di una struttura sportiva,
dovuta ad un determinato impianto di sonorizzazione, e calcolata per mezzo del
programma Ramsete. La mappa cromatica (da 79.5 a 95.5 dBA) indica i livelli di
pressione sonora simulati nell’ambiente indagato; il programma consente di
rappresentare la stessa informazione di distribuzione dei livelli anche per mezzo di
curve di isolivello, con visualizzazione a due oppure a tre dimensioni. Oltre a quanto
mostrato nell’immagine, il software utilizzato per l’esempio consente di visualizzare
la distribuzione sonora per ogni singola banda di frequenza; inoltre è possibile
ottenere agevolmente la medesima informazione per ogni quota richiesta, rispetto al
piano di riferimento (ciò è chiaramente importante nel caso in cui si debba studiare
un ambiente di altezza elevata in cui gli ascoltatori si possono trovare a diversi
livelli). Nel caso specifico si è scelto di non considerare nel calcolo l’isolamento
acustico dei materiali; questo spiega il motivo per cui la mappa di distribuzione
rappresentata, si estende per tutto il piano di riferimento, invece di essere limitata
dalle superfici di confine relative alle gradinate della struttura. Il programma
impiegato per la simulazione mostrata può comunque considerare, ai fini della
propagazione del suono, l’isolamento, l’assorbimento, la riflessione (speculare e
diffusa) e la diffrazione.
Figura 4: Distribuzione del suono all’interno di una struttura sportiva, dovuta ad un particolare
sistema di sonorizzazione, calcolata dal programma Ramsete.
E’ palese come, una volta realizzato un modello matematico affidabile e quindi
rappresentativo dell’ambiente considerato, sia possibile simulare a calcolatore
eventuali modifiche quali l’introduzione di altri materiali oppure il cambiamento del
tipo di diffusori o della loro posizione, al fine di prevedere come queste variazioni
influenzeranno il campo sonoro. Oltre alla rappresentazione numerica e grafica dei
parametri calcolati, alcuni programmi di previsione consentono anche l’esportazione
della risposta all’impulso, opportunamente adattata, verso altri programmi, i quali
consentono di eseguire il processo di auralizzazione. Con questo termine viene
indicata la possibilità di ascoltare la simulazione sonora in cuffia, relativa a come un
suono immesso in un determinato punto dell’ambiente, verrebbe percepito in una
posizione di ascolto prescelta. Da quanto finora esposto emerge chiaramente come la
tecnologia, grazie soprattutto alla sempre maggiore potenza di calcolo dei computer
di larga diffusione, ha consentito la realizzazione di strumenti di calcolo sempre più
potenti che, se usati in maniera corretta, consentono la valutazione preventiva di
diversi aspetti dell’acustica di un ambiente, rendendone quindi più agevole la
successiva ottimizzazione.
Bibliografia:
F. Alton Everest, Manuale di Acustica, Hoepli 1996
A. Farina, ’A new pyramid tracer for medium and large scale acoustic problems’, Euronoise ’95
A. Cerniglia, ‘Simulazioni acustiche in ambiente’, RCI anno XXV n. 9, Tecniche Nuove
Spectra technical internet home page, http://www.spectra.it/docum.htm